模电课程设计--有源带通滤波器

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1、 - 1 - 有源带通滤波器的设计与测试 1 滤波器的简介 在电子电路中，输入信号的频率有很多，其中有些频率是需要的工作信号， 有些频率是不需要的干扰信号。如果这两个信号在频率上有较大的差别，就可以 用滤波的方法将所需要的信号滤出。滤波电路的作用是允许模拟输入信号中某一 部分频率的信号通过，而阻断另一部分频率的信号通过。 1.1 滤波器的发展历程 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类 控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为 复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研 究和生产历来为各国所重视。 1917

2、年美国和德国科学家分别发明了 LC 滤波器， 次年导致了美国第一个多路 复用系统的出现。20 世纪 50 年代无源滤波器日趋成熟。自 60 年代起由于计算机 技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功 耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、 高精度、稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向，导致了 RC 有源滤波器、数字滤 波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到 70 年代后期， 上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80 年代，致力于各类新型 滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90 年代至现

3、在主要致力于把 各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断 进行。 我国广泛使用滤波器是50年代后期的事， 当时主要用于话路滤波和报路滤波。 经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步 伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新 型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。 1.2 滤波器的分类 - 2 - 实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟 滤波器，又可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。因此，我们不必苛求这种 “精确”分类，只是让大家了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。滤波

4、 器有各种不同的分类，一般有如下几种。 （1）按处理信号类型分类可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟 滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模 拟、混合三个分类。当然，每个分类又可继续分下去，总之，它们的分类可以形 成一个树形结构。 （2）按选择物理量分类 滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例 如 PCM 制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。 （3）按频率通带范围滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别。 1.3 有源滤波器的介绍 有源滤波器由下列一些有源元件组成：运算放大器、负电阻、负电容、负电 感、频率变阻器（FD

5、NR） 、广义阻抗变换器（GIC） 、负阻抗变换器（NIC） 、正阻抗 变换器（PIC） 、负阻抗倒置器（NII） 、正阻抗倒置器（PII） 、四种受控源，另外， 还有病态元件极子和零子。 1965 年单片集成运算放大器问世后，为有源滤波器开辟了广阔的前景。70 年 代初期，有源滤波器发展引人注目，1978 年单片 RC 有源滤波器问世，为滤波器集 成迈进了可喜的一步。由于运放的增益和相移均为频率的函数，这就限制了 RC 有 源滤波器的频率范围，一般工作频率为 20kHz 左右，经过补偿后，工作频率也限 制在 100kHz 以内。1974 年产生了更高频的 RC 有源滤波器，使工作频率可达 G

6、B/4 （GB 为运放增益与带宽之积） 。由于 R 的存在，给集成工艺造成困难，于是又出现 了有源 C 滤波器：就是滤波器由 C 和运放组成。这样容易集成，更重要的是提高 了滤波器的精度，因为有源 C 滤波器的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无 关。但它有一个主要问题：由于各支路元件均为电容，所以运放没有直流反馈通 道，使稳定性成为难题。1982 年由 Geiger、Allen 和 Ngo 提出用连续的开关电阻 （SR）去替代有源 RC 滤波器中的电阻 R，就构成了 SRC 滤波器，它仍属于模拟滤 波器。但由于采用预置电路和复杂的相位时钟，使这种滤波器发展前途不大。 - 3 - 总之， 由 RC 有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器， 体积小， Q 值可达 1000，克服了 RLC 无源滤波器体积大，Q 值小的缺点。但它仍有许多课题 有待进一步研究：理想运放与实际特性的偏差的研究；由于有源滤波器混合集成 工艺的不断改进，单片集成有待进一步研究；应用线性变换方法探索最少有源元 件的滤波器需要继续探索；元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等 问题仍未解决